CN107959304B - 基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风‑储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，分析不同风速下的风机运行特性，对风速进行分区，通过检测系统的频率波动，发掘风机自身的调频潜力与储能的功率特性，实时控制风储系统的有功功率输出来响应系统频率波动，实现风电场的虚拟惯量的提升。本发明不仅有效提升了风‑储联合系统惯性，还使联合系统能够对多风况下的频率波动进行有功功率响应同时避免频率的二次跌落等问题，改善了系统的频率稳定性。

Description

基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法

技术领域

本发明涉及一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法。

背景技术

随着风电并网容量的逐年增加，风力发电输出功率所具有的间歇性与随机性等特点使得大规模风力发电的接入对电力系统的规划、运行控制、保护、调度等方面均提出了新的挑战。其中双馈感应风电机组(double fed induction generator,DFIG)是目前风电场应用最为广泛的变速恒频风电机组。该类风电机组通过电力电子变流器变速恒频输出有功功率，风机转子并不与电网直接相连，因此，风机转子惯量被变流器所“隐藏”，机组转速与电网频率解耦，不具备同步机组利用转子动能来阻尼系统频率变化的惯性频率响应能力。然而在风机高比例接入的区域电网中，风机自身的大量接入以及风机对传统机组的替代会使该区域电网的总惯量降低，对频率波动的响应能力减弱，使得系统的频率稳定性面临重大挑战。因此，使风电机组具备同步发电机组一样的通过转子动能阻尼系统频率波动的惯性，对高风力发电渗透率地区电网的频率稳定性以及电网的安全稳定运行都具有重要意义。

针对这一问题，国内外已有一系列关相关研究成果。其中，附加惯性控制环节的方法经常被应用于此类研究，该方法以系统频率作为输入信号，经微分控制环节，将附加控制信号叠加在风电机组的最大功率跟踪(MPPT)控制有功给定之上，模拟出变速风电机组的惯性响应。此方法虽能利用风机的转子动能快速响应系统频率波动，但风机所能提供的虚拟惯性响应能力与其响应前运行状态直接相关，风速的随机性与波动性难以保证风电机组具有持久可靠的惯性响应能力，而且在风机转子退出调频恢复转速的过程中产生的有功功率缺额极易造成系统频率的二次波动现象，不利于系统频率稳定；转速控制、桨距角控制与综合控制等方法通过降低风机的风能捕获效率，使风机工作在减载运行状态，以留出应对频率波动的备用容量。此类方法虽然能够有效应对系统频率的波动，而长期的减载运行会使风电场经济效益收到较大影响。

近年来储能技术发展迅速，储能技术被广泛应用于平抑可再生能源出力波动、改善风场低电压穿越能力等。由于储能具有性能稳定、控制灵活、响应快速的特点，也非常适合应用于系统频率调节。因此，在风电机组或风电场配置一定容量的储能设备，辅助风电机组参与系统的频率调节的方法逐渐得到学者们的广泛关注。当现有文献存在仍然需要长期运行在减载状态以留有备用容量，牺牲了风机的最大风能捕获效率；会造成储能容量需求偏高的结果，鉴于目前储能成本仍然较高，单纯依靠储能来补偿风场惯量的经济性有待考量，或者没有考虑不同风速下风机调频能力的差异以及变风速下的应对策略。

因此，现有的研究虽然都能在一定程度上提升风电机组的惯性响应能力，对使风机对系统频率波动进行有功功率支持，但是，并没有充分利用风机本身被“隐藏”的惯量与储能快速精确的功率特性。如何将二者有机的结合，在有效提升风机惯性频率响应能力的同时，实现风-储系统适应多风况，高效率的协同合作运行仍然需要进一步的研究。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，本发明以提升风电场的惯性响应能力为目的，提出了基于模糊逻辑控制理论的风-储协同运行控制策略。该控制策略通过分析不同风速下的风机运行特性，将风速详细分区，通过检测系统的频率波动，充分发掘风机自身的调频潜力与储能的功率特性，实时控制风储系统的有功功率输出来响应系统频率波动，从而实现风电场的虚拟惯量的提升，提高了系统的频率稳定性。本发明提出的适应各风速分区的风储协同控制策略，使风机具有了适应多种风况下的更加可靠的惯性频率响应能力的同时，充分利用储能的出力特性，减缓了系统频率的二次波动对系统的影响；在该协同控制策略下，风机平时仍可以最大功率跟踪方式运行，无需长期减载运行，提高了系统运行的经济性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，分析不同风速下的风机运行特性，对风速进行分区，通过检测系统的频率波动，发掘风机自身的调频潜力与储能的功率特性，实时控制风储系统的有功功率输出来响应系统频率波动，实现风电场的虚拟惯量的提升。

进一步的，将风速小于6m/s的区间划分为风速一区，此区间风机转子转速仅能保持ω_r,min，旋转动能非常小；将6m/s至11m/s的风速区间定为风速二区，此区间风机保持MPPT方式运行以捕获不同风速下的最大风功率，此时风机转子为最优转速；将11m/s至12m/s的风速区间定为风速三区，此区间风机转子转速达到上限值并被维持在ω_r,max；将12m/s以上的风速区间定为风速四区，此区间风机输出功率达到额定值P_N，此时控制系统通过逐步增大桨距角将风机输出功率维持在风机出力额定值。

进一步的，当系统频率偏移检测结果的绝对值超出允许值时，调频标志位启动，进入风速分区判断环节，否则风机以MPPT模式正常运行。

进一步的，若当前风速处于风速一区，此时风机转子转速维持在允许最小值，无法通过再降低自身转速释放动能来响应系统频率波动，此区段仅能通过储能系统来起到响应系统频率波动的作用，储能系统通过模糊逻辑控制器来决定输出有功功率的大小。

进一步的，若当前风速处于风速二区，此区段的风机转子转速为MPPT模式下的最优转速，当此时风机转子转速大于ω_r,min时，风机转子动能被利用来响应频率波动，风机用于频率响应的有功功率大小P_w,SPT由风机控制部分的FLC通过制定风机的调频参与系数来决定；储能此时作为风机的备用，来承担风-储系统剩余的调频有功出力。

更进一步的，当风机转速随着转子动能释放而下降到小于ω_r,min或者频率上升速率高于设定值时，风机终止惯性频率响应，转为MPPT模式运行，此时转速设置为跟踪最优转速来逐渐恢复至进行惯性频率响应之前的值，风机退出后，储能增大出力，来弥补风机退出调频所造成的功率骤降来减缓系统频率二次降低对系统稳定性造成的不利影响；当系统频率上升至预设值后，经由下垂环节逐渐减缓出力，在继续支持系统频率恢复的同时不至于过量注入有功功率造成系统频率出现新的波动。

进一步的，若当前风速处于风速三区，正常运行时风机转子转速保持最大值，有比二区更为充足的转子动能，此区段的运行控制策略与风速处于风速二区的控制策略基本相同，唯一区别在于在释放转子动能增加出力的同时不能超过风机的出力上限。

进一步的，当风速处于风速四区时，此时风机功率达到额定值，若此时释放转子动能，则会使风机功率越限，因此，在第四风速区段，风机保持MPPT模式不变，充分利用风功率，储能来承担此区段的调频任务。

对于DFIG风机的频率响应控制主要包含系统频率检测、频率支持以及转速恢复：

1)频率检测：通过实时测量系统频率，与系统额定值进行比较，当系统频率偏移检测结果的绝对值超出允许值，则将控制系统的调频标志位置设置为1，此时风-储系统进入惯性频率响应阶段；

2)频率支持：当调频标志位为1时，以当前频率偏移量Δf以及当前系统频率变化率df/dt输入变量，得出风-储系统为应对当前频率波动状况需要输出有功功率P_total,SPT；以当前风机转子转速ω_r与出力值P_w作为输入变量，得出风机的参与系数α，由此得到风电机组的出力参考值P_w,SPT，此时风机退出MPPT运行模式，并将当前转速参考值ω_r,ref设置为追踪因释放旋转动能而下降的当前转子转速ω_r(t)，随风机出力增加转速下降，从而实现风机的虚拟惯性频率响应；

3)转速恢复：当风机的频率控制结束时，调频标志位置0，风机重新以MPPT模式运行，此时风机转子转速参考值设置为当前风速下的最优转子转速，之后在转矩控制下逐步将风机的转速恢复。

更进一步的，在风机结束或退出调频时，输出功率的瞬间下降会造成系统频率的二次跌落问题，影响系统运行稳定性以及风机的频率响应效果，此时储能会利用自身功率输出辅助风机的退出调频以及转速恢复过程，避免频率二次跌落问题的出现。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明将不同风速下的风机转速-功率特性分区细化，提出了适应多风况的运行策略；

2)应用本发明不仅有效提升了风-储联合系统惯性，还使联合系统能够对多风况下的频率波动进行有功功率响应同时避免频率的二次跌落等问题，改善了系统的频率稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明风机最优功率转速曲线及风速分区曲线图；

图2为本发明风储协同控制整体流程图；

图3为本发明DFIG风机控制框图；

图4为本发明储能系统控制框图；

图5为本发明Fuzzy 1输入、输出变量隶属度函数；

图6为本发明Fuzzy 1输入-输出特性曲面；

图7为本发明Fuzzy 2输入、输出变量隶属度函数；

图8为本发明Fuzzy 2输入-输出特性曲面；

图9为本发明仿真系统结构图；

图10为本发明低风速时系统频率响应示意图；

图11为本发明低风速时风场有功功率示意图；

图12为本发明低风速时风机转子转速示意图；

图13为本发明低风速时储能出力示意图；

图14为本发明中风速时系统频率响应示意图；

图15为本发明中风速时风场有功功率示意图；

图16为本发明中风速时风机转子转速示意图；

图17为本发明中风速时储能出力示意图；

图18为本发明高风速时系统频率响应示意图；

图19为本发明高风速时储能出力示意图；

图20为本发明风速变化曲线示意图；

图21为本发明变风速时系统频率响应示意图；

图22为本发明变风速时风场有功功率示意图；

图23为本发明变风速时风机转子转速示意图；

图24为本发明变风速时储能出力示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中并没有充分利用风机本身被隐藏的惯量与储能快速精确的功率特性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了以提升风电场的惯性响应能力为目的，提出了基于模糊逻辑控制理论的风-储协同运行控制策略。该控制策略通过分析不同风速下的风机运行特性，将风速详细分区，通过检测系统的频率波动，充分发掘风机自身的调频潜力与储能的功率特性，实时控制风储系统的有功功率输出来响应系统频率波动，从而实现风电场的虚拟惯量的提升，提高了系统的频率稳定性。本发明提出的适应各风速分区的风储协同控制策略，使风机具有了适应多种风况下的更加可靠的惯性频率响应能力的同时，充分利用储能的出力特性，减缓了系统频率的二次波动对系统的影响；在该协同控制策略下，风机平时仍可以最大功率跟踪方式运行，无需长期减载运行，提高了系统运行的经济性。

电力系统中的同步机发电机组用于惯性频率响应的能量主要来源于储存在其转子中的旋转动能，可表示为：

式中:J为同步发电机的转动惯量；ω_m为同步发电机的转子角速度。通常，惯性时间常数H被用来表示同步发电机惯量的大小，H被定义为同步电角速度ω_s下的发电机转子动能与发电机额定容量S_N之比，即：

对于含DFIG风电机组并网的电力系统，系统总惯性时间常数H_sys可表示为：

式中：E_k,SG,i与E_k,DFIG,j分别为第i台同步发电机的转子旋转动能与第j台DFIG机组的转子旋转动能；S_N,sys为系统中所包含的风机与同步发电机的总额定容量；m与n分别为系统中同步发电机与DFIG机组的数量。DFIG机组由于转子转速与系统频率解耦，无法利用转子动能响应系统频率波动，因此，式(3)中

因此，大量无惯性频率响应能力的风机并网会造成系统惯性时间常数H_sys降低，系统的频率响应能力变弱。

定义J_vir为风储系统模拟同步发电机组的虚拟转动惯量，通过储能装置与附加控制环节来使风储系统能够模拟同步发电机组对系统频率波动的惯性响应，即：

式中：E_ESS为储能系统响应系统频率波动而输出的电能。定义风储系统的虚拟惯性时间常数为H_vir，可表示为：

S_{DFIG_ES}为风储系统的总额定容量。当系统频率波动时，风储系统虚拟惯性频率响应的有功功率变化量ΔP可表示为：

式中：ΔP_DFIG与ΔP_ESS分别为DFIG机组与储能系统的有功功率输出变化量；ω_v为风储系统的虚拟同步发电机转子角速度。将式(5)、(6)代入(7)得到：

将式(8)转换为标幺值形式：

为虚拟同步发电机转速标幺值；由于系统频率标幺值f^*与

等值，故将f^*代入式(10)并对式(10)等式两边积分可得：

ΔE^*为风储系统进行虚拟惯性频率响应的电能标幺值。式(10)可整理为：

由式(11)可知，风储系统可以通过输出有功功率来响应系统频率波动来实现虚拟惯性频率响应；对于一定的ΔE^*，风储系统的虚拟惯量时间常数越大，则系统的频率波动越小。

本发明所提出的风-储协同控制策略将风机的旋转动能与储能设备存储的能量协同配合，实现风电场虚拟惯性的提升，使风-储系统具备虚拟惯性频率响应能力。该控制策略还考虑了风-储系统应对多种风速下以及变风速下系统频率波动的能力，其中风速分区和1.5MW DFIG风机的功率转速曲线如图2所示:将风速小于6m/s的区间划分为风速一区，此区间风机转子转速仅能保持ω_r,min，旋转动能非常小；将6m/s至11m/s的风速区间定为风速二区，此区间风机保持MPPT方式运行以捕获不同风速下的最大风功率，此时风机转子为最优转速；将11m/s至12m/s的风速区间定为风速三区，此区间风机转子转速达到上限值并被维持在ω_r,max；将12m/s以上的风速区间定为风速四区，此区间风机输出功率达到额定值P_N，此时控制系统通过逐步增大桨距角将风机输出功率维持在风机出力额定值。由于系统频率过高事件发生时，风电场可以通过降低捕获的风功率来减少自身功率输出来应对，因此本发明所提控制策略主要针对系统频率降低的情况。控制系统首先会检测系统频率，当实时频率偏离额定频率时，控制系统就会启动，基于风速分区，采用不同的风储协同配合策略。控制策略流程如图2所示：

1)当系统频率偏移检测结果的绝对值超出允许值0.033Hz时，调频标志位启动，进入风速分区判断环节，否则风机以MPPT模式正常运行；

2)若当前风速处于风速一区，由图1可以看出，此时风机转子转速维持在允许最小值，无法通过再降低自身转速释放动能来响应系统频率波动，此区段仅能通过储能系统来起到响应系统频率波动的作用。储能系统通过模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller,FLC)来决定输出有功功率的大小。

3)若当前风速处于风速二区，此区段的风机转子转速为MPPT模式下的最优转速，当此时风机转子转速大于ω_r,min时，风机转子动能可以被利用来响应频率波动，风机用于频率响应的有功功率大小P_w,SPT由风机控制部分的FLC通过制定风机的调频参与系数来决定；储能此时作为风机的备用，来承担风-储系统剩余的调频有功出力。当风机转速随着转子动能释放而下降到小于ω_r,min或者频率上升速率高于0.2Hz/s时，风机终止惯性频率响应，转为MPPT模式运行，此时转速设置为跟踪最优转速来逐渐恢复至进行惯性频率响应之前的值，风机退出后，储能增大出力，来弥补风机退出调频所造成的功率骤降来减缓系统频率二次降低对系统稳定性造成的不利影响；当系统频率上升至49.8Hz后，经由下垂环节逐渐减缓出力，在继续支持系统频率恢复的同时不至于过量注入有功功率造成系统频率出现新的波动。

4)若当前风速处于风速三区，正常运行时风机转子转速保持最大值，有比二区更为充足的转子动能，此区段的运行控制策略与3)中大致相同，但此区间风机出力值较高，在释放转子动能增加出力的同时不能超过风机的出力上限。

5)当风速处于风速四区时，此时风机功率达到额定值，若此时释放转子动能，则会使风机功率越限，因此，在第四风速区段，风机保持MPPT模式不变，充分利用风功率，储能来承担此区段的调频任务。

通过对风机的附加控制策略，DFIG风机可以通过释放转子动能响应系统频率波动，从而提升自身惯量。控制框图如图3所示，对于系统频率下降情况，转子转速随着转子动能的释放而逐步下降；当系统频率恢复到正常范围后，转子转速也会逐渐恢复，因此对于DFIG风机的频率响应控制主要包含系统频率检测、频率支持以及转速恢复等三个部分。

1)频率检测：通过实时测量系统频率，与系统额定值进行比较，当系统频率偏移检测结果的绝对值超出允许值，则将控制系统的调频标志位置1，此时风-储系统进入惯性频率响应阶段。

2)频率支持：当调频标志位为1时，FLC1以当前频率偏移量Δf以及当前系统频率变化率df/dt输入变量，得出风-储系统为应对当前频率波动状况需要输出有功功率P_total,SPT；FLC2以当前风机转子转速ω_r与出力值P_w作为输入变量，得出风机的参与系数α，由此得到风电机组的出力参考值P_w,SPT，此时风机退出MPPT运行模式，并将当前转速参考值ω_r,ref设置为追踪因释放旋转动能而下降的当前转子转速ω_r(t)，随风机出力增加转速下降，从而实现风机的虚拟惯性频率响应。

3)转速恢复：当风机的频率控制结束时，调频标志位置0，风机重新以MPPT模式运行，此时风机转子转速参考值设置为图2中的当前风速下的最优转子转速，之后在图3中的转矩控制下逐步将风机的转速恢复。在风机结束或退出调频时，输出功率的瞬间下降会造成系统频率的二次跌落问题，影响系统运行稳定性以及风机的频率响应效果，此时储能会利用自身功率输出辅助风机的退出调频以及转速恢复过程，避免频率二次跌落问题的出现。

2.3储能控制策略

储能装置在风储协同频率响应系统中的主要作用是与风机协同配合对系统频率波动进行有功功率支持以增加风电场的惯性频率响应能力以及辅助风机恢复转速并避免频率的二次跌落。

当风速处于二区与三区且风机转子转速大于最低转速，此时风机具备利用转子动能响应频率波动的能力，储能系统此时配合风机响应频率波动。如图4所示，储能参与频率响应所需出力P_ess,SPT为FLC1的输出P_total,SPT与FLC2的输出P_w,SPT之差。当风机退出调频进入转速恢复阶段，风机出力骤降，此时储能增大出力弥补风机出力的缺失所造成的功率不平衡，减弱风机出力骤降造成频率二次跌落的影响。

当风速处于一区与四区时，风机由于其转速与功率限制无法利用转子动能参与调频，储能单独响应此二区段时的频率波动，增加风储系统的虚拟惯量，从而使风储协同系统具有应对多风速区段的惯性频率响应能力。然而，为了避免系统频率恢复过程中储能功率的过度释放，增加了一个储能功率的下垂环节，当系统频率回升达到49.8Hz时，储能的输出功率将逐渐变缓，此时储能出力参考值P_ess,drop如式(12)：

式中P_ess,49.8为频率为49.8Hz时储能的输出功率。为了弥补当储能结束响应频率波动时所引起的冲击以及最终将频率稳定在设定频率，在储能控制框图中附加了一个PI环节，当系统实测频率大于49.8Hz时此环节启用，因此储能的参考输出功率P_ess,ref可表示为：

式(13)中P_PI为图4中PI控制器的输出，即储能输出功率的修正量。

在本发明所提出的风储协同控制策略中,风储系统用于惯性频率响应的总有功功率增量与风机的惯性响应参与系数均通过图3与图4中的FLC得到。对于图3中的FLC1,输入为系统频率偏差Δf(-1-0Hz)与系统频率变化率df/dt(-0.6-0.6Hz/s)，输出为风储系统的惯性响应总支持功率增量ΔP_total,SPT(0-0.25pu)。FLC1的输入与输出变量的隶属函数曲线以及输入-输出特性曲面图分别如图5与图6所示，其中，Δf与ΔP_total,SPT的模糊语言变量为VS(非常小)、MS(较小)、S(小)、M(中)、L(大)、ML(较大)、VL(非常大)。df/dt的模糊语言变量为NL(负高)、NM(负中)、NS(负低)、Z(零)、PS(正低)、PM(正中)、PL(正高)。FLC1根据系统频率的变化情况实时决定风储系统的惯性响应有功增量，动态模拟了同步机组的惯性响应特性，补偿风储系统的频率响应惯量。FLC1模糊逻辑推理表入表1所示。推理表的建立原则是：当Δf较大或者df/dt绝对值较大时，则输出ΔP_total,SPT较大；当Δf较小并且df/dt接近于零时，则输出ΔP_total,SPT较小有利于系统频率稳定。

对于图4中的FLC2,输入为风速分区二区、三区的风机转子转速ω_r(0.7-1.2pu)与此风速分区的实时风机输出功率P_w(0.2-1pu)，输出为风机的惯性响应参与系数α(0-1pu)。FLC2根据当前风速下风机的参与惯性响应的能力来决定α，进而决定了风储系统的惯性响应过程中风机所承担的出力大小如式(14)所示：

ΔP_w,SPT＝α·ΔP_total,SPT (14)

式中ΔP_w,SPT为风机的惯性响应增发有功功率。此时储能需承担的惯性响应功率值P_ess,SPT如式(15)：

P_ess,SPT＝(1-α)·ΔP_total,SPT (15)

FLC2的输入与输出变量的隶属函数曲线以及输入-输出特性曲面图分别如图7与图8所示，其模糊语言变量含义可参考FLC1中的定义。参考图2的风机功率转速曲线及风速分区，推理表的建立原则是：当ω_r较大且P_w较大时，则输出α较大；当ω_r非常小时则输出α尽可能小；当P_w非常大时，则输出α尽可能小。FLC2的模糊逻辑推理表入表2所示。

表1 Fuzzy1模糊逻辑推理表

表2 Fuzzy2模糊逻辑推理表

本发明在Matlab/Simulink平台上搭建如图9所示的仿真系统来验证所提出的控制策略。该系统由一个等值DFIG风电场、三台同步发电机、变压器、负荷以及等值线路组成。其中等值风电场中包含10台1.5MW的DFIG机组，风电场经由575V/25kV升压后接入25kV母线，同步发电机G1、G2、G3的额定容量分别为20MW、15MW以及10MW。有功负荷功率值为50MW。储能系统额定功率为2.5MVA，与风电场接于同一并网母线。在5s时，负荷功率突增5MW。仿真系统详细参数为：

风场运行在低风速下

当风速为9m/s时，处于风速二区，此阶段风机出力值较低，有足够的功率增发余量来响应频率波动。仿真结果对比了无控制、仅风机参与频率响应以及本发明提出的风-储协同控制策略的控制效果。图10为系统频率响应曲线，风-储协同控制策略下的系统频率最低值f_nadir为46.4Hz，高于另外两种控制方式。在仅有风机参与调频的控制方式下，当风机退出调频时，其输出功率将向下跌落，导致系统频率的二次跌落，不利于系统频率稳定，图10中仅风机控制模式下的系统频率二次跌落最低点为46.2Hz，低于本发明控制策略下第一次频率降低的值。在本发明控制策略下，当风机退出调频时，通过储能增发功率来弥补风机功率跌落造成的功率缺额，从而有效缓解了系统的二次跌落问题。图11为低风速下风场有功功率出力曲线，相比于仅风机的控制方式，风-储协同控制策略下的风场出力由FLC得出风场参与系数与总支持功率值来决定，低风速时，风场调频参与系数受转速影响较高，随着如图12所示的风机转子转速因释放旋转动能而逐渐降低，参与系数也逐渐减小，风机所分担的调频功率需求也逐渐减小，直至达到退出条件而退出调频；无控制方式下风机出力一直保持MPPT方式运行，无法响应系统频率波动；仅风机参与调频方式下，风机承担更多的出力，使得转速下降的更多，调频结束后恢复至MPPT的模式更慢。储能出力如图13所示，在风-储系统投入调频后初期风机的参与系数较高，故储能所承担的出力值较小，储能此时的主要功能是弥补风机承担调频出力的不足；当风机在14.9s退出调频后，为缓解系统频率的二次跌落的影响，储能增发功率来弥补系统功率缺额，并辅助风机的转速恢复过程。

风场运行在中风速下

风速为11.5m/s时，处于风速三区。转子初始转速为1.2pu，此区间风机出力已经接近上限值，因此在此风速区间风机的调频参与系数较低。图14为中风速时相同负荷波动下系统频率曲线，风-储协同控制方式下的系统频率波动最低点仍高于仅风机参与调频以及无控制时的系统频率最低点且缓解了频率的二次下跌现象。图15、16分别为中风速时风场的有功功率以及风机转子转速曲线。由于此风速区段的风机参与调频出力较小，相比于图13储能出力曲线前期就承担了较大的出力；当风机退出调频后，储能增发出力弥补风机功率的跌落，减缓了系统频率二次跌落的发生，随后随着系统频率与风机转自转速的逐步恢复，储能引入下垂环节使出力逐渐下降。

风场运行在高风速下

由于当风速处于第一与第四分区时，都是储能来承担虚拟惯性频率响应任务，风储系统对于二者的处理流程类似，故这里仅分析风速在第四区间时的情况。当风速达到12m/s以上时，即进入风速四区，此时，风机转子转速达到并维持在最大值，虽然转子动能充足，但由于风机出力达到其最大值，无法再增加出力，此时风机无法通过释放转子动能增加出力来响应频率下降事件。因此，当风速位于第四区段时，风机无法单独参与调频，本发明利用储能的有功输出来响应此风速区段的频率波动，使风电场在高风速下也具备惯性频率响应能力。图18对比了高风速区段下，发生负荷突增后的系统频率曲线，由于仅风机参与的控制方式由于输出功率上限无法参与，与无控制时的情况相同；风储系统此时仅储能出力，此控制方式下系统频率最低点较无控制方式有较明显提升，图19为储能出力曲线，当系统频率回升超过49.8Hz后，为了储能功率不至于过量注入系统影响系统频率稳定性，储能出力下垂环节投入，使储能功率平稳降低，系统频率超过49.9Hz后，PI控制器投入，在储能输出功率上增加修正量，使系统频率稳定在额定值附近。

变风速情况下

本发明所提出的风储协同控制策略不仅使风储系统能满足应高、中、低风速下惯性频率响应需求，还考虑了风速在上述几种风速区间中变动的情况下风储协同控制策略的应用效果。图20为风速波动曲线，风速变动范围跨高、中、低三个风速分区；图21对比无控制与本发明控制策略下的变风速系统频率曲线，本发明控制策略有效提升了系统频率下降最低点，并减缓了系统频率下降初期的频率跌落速率。风场与储能出力曲线分别如图22、图24所示，当风速处于第四区时，此时风机不参与调频，故当系统出现负荷突增时储能先投入使用；随着风速由四区逐渐降低，风机出力裕度逐渐增大，风机的调频参与系数逐渐也逐渐增大，虽然风机出力随风速的降低而减小，但仍然能以较高的参与系数响应系统频率波动，缓解了储能单独调频的压力，当风机退出调频后，储能增发功率缓解风机出力缺额对系统频率的影响并辅助风机的转速恢复。图23为风机转速曲线，当风机退出调频后，风机转速跟踪当前风速下的最优转速值进行转速恢复。

本发明针对DFIG电机组的转子转速与电网频率解耦从而造成的机组惯性响应能力缺失的问题，为使风电机组具有如传统同步机组的有功-频率惯性响应能力，定义了虚拟惯量的概念，提出了基于模糊逻辑控制方法的风-储协同运行控制策略。将不同风速下的风机转速-功率特性分区细化，提出了适应多风况的运行策略。仿真结果表明：文中风-储协同运行控制策略不仅有效提升了风-储联合系统惯性，还使联合系统能够对多风况下的频率波动进行有功功率响应同时避免频率的二次跌落等问题，改善了系统的频率稳定性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：分析不同风速下的风机运行特性，对风速进行分区，通过检测系统的频率波动，发掘风机自身的调频潜力与储能的功率特性，实时控制风储系统的有功功率输出来响应系统频率波动，实现风电场的虚拟惯量的提升；

在风机结束或退出调频时，输出功率的瞬间下降会造成系统频率的二次跌落问题，影响系统运行稳定性以及风机的频率响应效果，此时储能会利用自身功率输出辅助风机的退出调频以及转速恢复过程，避免频率二次跌落问题的出现；

将6m/s至11m/s的风速区间定为风速二区，此区间风机保持MPPT方式运行以捕获不同风速下的最大风功率，此时风机转子为最优转速；

以当前频率偏移量Δf以及当前系统频率变化率df/dt输入变量，得出风-储系统为应对当前频率波动状况需要输出有功功率P_total,SPT；以当前风机转子转速ω_r与出力值P_w作为模糊逻辑控制器FLC的输入变量，得出风机的参与系数α；

若当前风速处于风速二区，此区段的风机转子转速为MPPT模式下的最优转速，当此时风机转子转速大于ω_r,min时，风机转子动能被利用来响应频率波动，风机用于频率响应的有功功率大小P_w,SPT由风机控制部分的模糊逻辑控制器FLC通过制定风机的调频参与系数α来决定；储能此时作为风机的备用，来承担风-储系统剩余的调频有功出力；储能参与频率响应所需出力P_ess,SPT为模糊逻辑控制器FLC1的输出P_total,SPT与模糊逻辑控制器FLC2的输出P_w,SPT之差；

在风储协同控制策略中,风储系统用于惯性频率响应的总有功功率增量与风机的惯性响应参与系数均通过模糊逻辑控制器FLC得到；模糊逻辑控制器FLC1根据系统频率的变化情况实时决定风储系统的惯性响应有功增量，动态模拟了同步机组的惯性响应特性，补偿风储系统的频率响应惯量；模糊逻辑控制器FLC2根据当前风速下风机的参与惯性响应的能力来决定调频参与系数α，进而决定了风储系统的惯性响应过程中风机所承担的出力大小如式(14)所示：

ΔP_w,SPT＝α·ΔP_total,SPT (14)；

式中ΔP_w,SPT为风机的惯性响应增发有功功率；此时储能需承担的惯性响应功率值P_ess,SPT如式(15)：

P_ess,SPT＝(1-α)·ΔP_total,SPT (15)；

风储协同控制策略不仅使风储系统能满足应高、中、低风速下惯性频率响应需求，还考虑了风速在变动的情况下风储协同控制策略的应用效果。

2.如权利要求1所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：将风速小于6m/s的区间划分为风速一区，此区间风机转子转速仅能保持ω_r,min；将11m/s至12m/s的风速区间定为风速三区，此区间风机转子转速达到上限值并被维持在ω_r,max；将12m/s以上的风速区间定为风速四区，此区间风机输出功率达到额定值P_N，此时控制系统通过逐步增大桨距角将风机输出功率维持在风机出力额定值。

3.如权利要求1所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：当系统频率偏移检测结果的绝对值超出允许值时，调频标志位启动，进入风速分区判断环节，否则风机以MPPT模式正常运行。

4.如权利要求2所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：若当前风速处于风速一区，此时风机转子转速维持在允许最小值，无法通过再降低自身转速释放动能来响应系统频率波动，此区段仅能通过储能系统来起到响应系统频率波动的作用，储能系统通过模糊逻辑控制器来决定输出有功功率的大小。

5.如权利要求2所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：当风机转速随着转子动能释放而下降到小于ω_r,min或者频率上升速率高于设定值时，风机终止惯性频率响应，转为MPPT模式运行，此时转速设置为跟踪最优转速来逐渐恢复至进行惯性频率响应之前的值，风机退出后，储能增大出力，来弥补风机退出调频所造成的功率骤降来减缓系统频率二次降低对系统稳定性造成的不利影响；当系统频率上升至预设值后，经由下垂环节逐渐减缓出力，在继续支持系统频率恢复的同时不至于过量注入有功功率造成系统频率出现新的波动。

6.如权利要求2所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：若当前风速处于风速三区，正常运行时风机转子转速保持最大值，有比二区更为充足的转子动能，此区段的运行控制策略与风速处于风速二区的控制策略基本相同，唯一区别在于在释放转子动能增加出力的同时不能超过风机的出力上限。

7.如权利要求2所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：当风速处于风速四区时，此时风机功率达到额定值，若此时释放转子动能，则会使风机功率越限，因此，在第四风速区段，风机保持MPPT模式不变，充分利用风功率，储能来承担此区段的调频任务。

8.如权利要求1所述的一种基于风-储协同运行的风电场虚拟惯量提升方法，其特征是：对于DFIG风机的频率响应控制主要包含系统频率检测、频率支持以及转速恢复：

1)频率检测：通过实时测量系统频率，与系统额定值进行比较，当系统频率偏移检测结果的绝对值超出允许值，则将控制系统的调频标志位置设置为1，此时风-储系统进入惯性频率响应阶段；

2)频率支持：当调频标志位为1时，得到风电机组的出力参考值P_w,SPT，此时风机退出MPPT运行模式，并将当前转速参考值ω_r,ref设置为追踪因释放旋转动能而下降的当前转子转速ω_r(t)，随风机出力增加转速下降，从而实现风机的虚拟惯性频率响应；

3)转速恢复：当风机的频率控制结束时，调频标志位置0，风机重新以MPPT模式运行，此时风机转子转速参考值设置为当前风速下的最优转子转速，之后在转矩控制下逐步将风机的转速恢复。

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